Использование рабочего тела, изменяющего в течение цикла своё агрегатное состояние, позволяет осуществлять на практике цикл Карно.
В случае потока вещества технически наиболее просто осуществимым процессом подвода или отвода теплоты является изобарный процесс. Ранее были рассмотрены условия протекания изобарного процесса подвода или отвода теплоты при постоянной температуре. Это – процесс фазового перехода чистого вещества из жидкого в газообразное состояние. Отсюда следует, что если использовать влажный пар в качестве рабочего тела и осуществлять цикл, составленный из двух изобар (которые в тоже время являются изотермами), то это и будет цикл Карно.
Требования, которые должно удовлетворять такое рабочее тело, определяется с одной стороны параметрами окружающей среды, а с другой – параметрами самого рабочего тела, которые можно считать достижимыми при современном уровне техники.
Верхним пределом температуры рабочего тела, определяемым из условия прочности металла при длительном воздействии на него высоких температур, в настоящее время можно считать температуру около 600С. Чтобы при этой температуре теплота парообразования была достаточно большой, критическая температура рабочего тела должна быть значительно, выше неё (следует вспомнить, что по мере приближения температуры влажного пара к критической теплоте парообразование уменьшается, а при критической температуре становится равной нулю). Одновременно давление насыщения на верхнем температурном пределе должно быть по возможности ниже, ибо работа установки на высоком давлениисвязана с утяжелением и усложнением её конструкции. В настоящее время считается, что с этой точки зрения, предельным является давление около 300 МПа.
Веществ, которые удовлетворяли бы перечисленным требованиям по всем пунктам, в природе не существует, наиболее же подходящим по своим теплофизическим свойствам является водяной пар.
Схема теплосиловой установки, в которой осуществляется цикл Карно при влажном паре, представлен на рисунке 27.2.
В паровой котёл 1 поступает влажный водяной пар малой степени сухости . За счёт сгорания в точке котла топлива (уголь, мазут, природный газ и другие) к влажному пару подводиться теплота и степень сухости пара повышается до значения , близких к единице. Процесс подвода теплоты в котле происходит при постоянном давлении p1 и при постояннойтемпературе Т1.
Из котла пар поступает в паровую турбину 2. При расширении в турбине поток пара приобретает значительную кинетическую энергию. На лопатках рабочего колеса турбины эта энергия превращается в кинетическую энергию вращения рабочего колеса и затем в электроэнергию с помощью электрогенератора 3, вращаемого турбиной.
На выходе из турбины влажный пар имеет давление p2 и соответствующее этому давлению температуру Т2. Далее пар поступает в концентратор 4 – теплообменник, в котором с помощью охлаждающей воды от пара отводится теплота, пар конденсируется и, следовательно, степень сухости его уменьшается.
Процесс отвода теплоты от пара в конденсаторе осуществляется при p=const.
После конденсатора влажный пар поступает в компрессор 5, в котором он адиабатно сжимается до давления p1 . Затем влажный пар вновь поступает в котёл, и цикл замыкается.
Цикл Карно насыщенного пара (рис. 27.3.) состоит из следующих процессов:
4 – 1 изобарно –изотермический подвод теплоты q1 к пару в котле;
1–2 процесс адиабатного расшире-ния пара до давления p2в турбине;
2 – 3 изобарно – изотермический отвод теплоты q2в конденсаторе;
3–4 адиабатное сжатие конденсата в компрессоре.
Отвод теплоты в конденсаторе происходит до тех пор, пока влажный пар не достигнет такого состояния , в результате которого при сжатии по адиабате 3 – 4 смесь воды и пара из состояния (т.3) переводится полностью в воду состояния (т.4).
Термический К.П.Д. обратимого цикла Карно определяется по формуле:
ht = 1 - = 1 - , (27.1)
Критическая температуры воды равна 374,15 С, поэтому сравнительно мал темпера- турный интервал между нижней (Т2=25 С) и верхней (не ниже Т1 = 340 - 350 С) темпе-ратурами цикла. Для обратимого цикла Карно, осуществляемого во влажном паре:
ht = 1 - =0,52, (27.2)
В паросиловых установках цикл Карно не применяется по следующим причинам:
1. В цикле Карно конденсация пара в изотермическом процесс 2 – 3 осуществляется не полностью, поэтому в адиабатном процессе 3 – 4 сжимается не вода, а влажный пар, который имеет относительно большой объём. Компрессор для сжатия влажного пара с малым давлением и большими удельными объёмами является громоздким.
На сжатие влажного пара затрачивается относительно большая работа, численно равная площади n – 4 – 3 - m..
Кроме того, затрата работы на сжатие увеличивается при повышении начальных параметров пара p1 и Т1 или уменьшении конечных параметров p2 и Т2.
Так например, при увеличении начальных параметров p1 и Т1до параметров в точке 1' работа, затрачиваемая на сжатие влажного пара, численно равна площади n'-4'-3'-m',и как видно из рисунка 27.3, площади n-4-3-m < площади n'-4'-3'-m'. Следовательно, несмотря на увеличение ht при увеличении начальных и уменьшении конечных параметра рабочего тела экономическая эффективность использования теплоты в установке уменьшается. Последнее связано с относительным большим объёмом компрессора, наличием вредных пространств и повышении потерь. Таким образом, практически обесцениваются преимущества паровой установки, работающей по циклу Карно (с максимальной ht ), вследствие повышенной работы, необходимой для сжатия отработавшего конденсата.
2.При работе во влажном паре происходит механический износ лопаток последних ступеней турбины и компрессора каплями воды. Течение пара оказывается газодинамически несовершенным и внутренний относительный К.П.Д. установки уменьшается. Величина его определяется уравнением: hi = ht hоi , (27.3)
По этим причинам цикл Карно практически не применяется в паросиловых установках и сохраняет лишь теоретическое значение как эталонный цикл, имеющий в заданном температурном интервале максимальный ht .